研究人员开发了一种光学原子钟，它使用频率梳直接激发铷 87 原子中的双光子跃迁。当光子从相反方向发送时，其中一个光子上的运动效应会抵消另一个光子上的任何运动效应，从而允许使用热原子。图片来源：Jason Jones，亚利桑那大学
研究人员展示了一种使用单个激光器且不需要低温的新型光学原子钟。通过在不牺牲精度和稳定性的情况下大大减小原子钟的尺寸和复杂性，这一进步可能会带来紧凑和便携的高性能原子钟。
“在过去的二十年里，下一代原子钟的性能取得了许多重大进展，”亚利桑那大学的研究团队负责人 Jason Jones 说。
“然而，其中许多系统并不适合在实际应用中使用。为了将这项先进技术带出实验室，我们使用了一种简化的设计，其中单频梳状激光器既充当时钟的钟摆或滴答机构，又充当跟踪时间的齿轮。
频率梳 — 一种发射数千种规则间隔颜色或频率的激光器 — 对于原子钟和计时具有革命性的作用。在《光学快报》（Optics Letters）杂志上，琼斯和同事描述了一种光学原子钟，它使用频率梳直接激发铷-87原子中的双光子跃迁。他们表明，这种新设计实现了与具有两个激光器的传统光学原子钟相同的性能。
“这项进步还可以通过提高性能并使备份或替代时钟更易于访问来帮助增强依赖于基于卫星的原子钟的 GPS 网络，”该论文的第一作者 Seth Erickson 说。
“这也是将高性能原子钟引入日常应用甚至人们家庭的第一步，例如，它可以使电信网络在不同对话之间非常快速地切换。这可能使许多人能够同时通过相同的电信信道进行通信并提高数据速率。
实验室中所示的基于直接频率梳状激发的新型光学原子钟实现了与具有两个激光器的传统光学原子钟相同的性能。图片来源：Jason Jones，亚利桑那大学
简化高级计时在光钟中，用激光激发原子能级会导致原子在特定能级之间跃迁。这些转换的精确频率用作时钟的 “滴答声”，允许高精度地测量时间。尽管已经开发了便携式芯片级光学原子钟，但最精确和稳定的光学钟使用被困在接近绝对零度的温度下的原子来最大限度地减少原子运动，这可能会改变原子所经历的激光频率。
为了避免这种极端冷却的需要，Jones 和同事使用了需要吸收两个光子（而不是一个光子）的原子能级来移动到更高的能级。当光子从原子的相反方向发送时，其中一个光子上的运动效果会抵消另一个光子上的任何运动效果。这允许使用热 （100°C） 原子和明显更简单的 clock design。
“这项工作的一个主要创新是，我们不是使用单色激光器从每个方向向原子发送光子，而是从频率梳发送各种颜色，”Jones 说。
“使用与频率梳不同颜色的正确光子对，可以让它们以与来自单色激光器的两个光子相同的方式相加，从而以类似的方式激发原子。这消除了对单色激光器的需求，进一步简化了原子钟。
研究人员表示，在电信波长上，商用频率梳和坚固的光纤组件（如布拉格光栅）的广泛使用极大地促进了这种新设计的开发。他们使用光纤布拉格光栅将宽带频率梳频谱缩小到 100 GHz 以下，以铷 87 的原子跃迁为中心。这种窄滤波光谱增加了铷 87 原子的频梳输出和激发光谱之间的重叠。
时钟比较为了测试这种新方法，研究人员将两种几乎相同的新直接频率梳状时钟版本与使用额外单频激光器的传统时钟进行了比较。新时钟表现出一致的性能，不稳定性为 1.9×10−13在 1 秒时，平均下降到 7.8（38）×10−15在 2600 秒。这种性能类似于使用单频激光架构的传统 clock 和其他已发表的结果。
研究人员现在正在努力改进他们的光学原子钟设计，使其长期更小、更稳定，并结合激光技术的新进展。直接频率梳方法也可以用于其他双光子原子跃迁，包括目前没有低噪声单频激光器的原子跃迁。
更多信息：Seth E. Erickson 等人，基于直接频率梳状光谱的原子频率标准，Optics Letters （2024）。DOI： 10.1364/OL.531600
期刊信息： Optics Letters
